某型风电机组风向标损坏的有限元模态分析

陈志军

风电机组振动模态分析作为研究结构动力特性的一种方法，在工程振动、故障诊断问题的分析和解决过程中发挥着重要作用。通过模态分析可以掌握结构在人们关心频率范围内的主要振动特性，进而预测结构在各种激励下的振动响应。气象站是每台风电机组必须安装的标准配置设备，是风电机组的“眼睛”，其重要性不言而喻。轴流风机是将外界的冷空气强制导入发电机内部，给发电机散热的关键设备。由于设备安装空间所限，气象站支架安装固定在轴流风机平台支架上。因此，轴流风机的每次开启必然会引起振动而成为振动激励源，加之设备制造初期未对轴流风机采取有效的隔振措施，强烈的振动通过设备支架传导至气象站支架，发生弯曲扭转共振的可能性大大增加。

本文对某风电场某品牌风向标在安装运行仅四个月内批量折断问题进行原因分析。通过对风电机组机舱顶部平台和安装在该平台上的气象站所有设备参数的分析，对其在约束条件下的振动模态进行数值模拟分析，结果表明风向标的固有频率与轴流风机振动激励源的频率极为接近，从而引发风向标共振，同时也验证了有限元模型的可靠性，在此基础上分析发生折断的原因并提出解决问题的建议。模态分析理论及数学模型

风向标的模态分析是建立在模态分析理论及其数学模型基础之上的，模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算机或试验分析取得，计算或试验分析的过程称为模态分析。

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。如果通过模态分析的方法得出结构物体在某一易受影响的频率范围内各阶的主要模态特性，就能够预测结构在此频率内实际振动响应。

一、动力学运动方程

（1）假定材料为线性材料;（2）忽略非线性行为和特征;（3）采用小挠度理论：（4）振型Фi只是相对值而非绝对值。风向标情况概述

本文分析对象为位于风电机组机舱平台上的气象站内的风向标。其外形尺寸如图1所示。风向标由2个零件（注塑成一体的风向标尾翼和金属制成的指向标头）连接而成。风向标安装在气象站支架上，气象站支架与机舱顶部平台刚性连接，轴流风机固定在机舱顶部平台安装座上。

风向标振动模态分析

ABAQUS软件是国际上通用的大型有限元分析软件之一，适用于复杂工程问题和非线性问题的求解。软件采用CAD建模和可视化视窗系统。人机界面良好，已广泛应用于机械、化工、冶金、土木、水利、材料、航空等各个领域。本文以某风电机组气象站的风向标为研究对象，利用ABAQUS软件的C3D4线性四面体单元划分构建风向标三维有限元模型，并进行振动模态分析。

一、几何模型的建立

着眼于工程实际应用，本文将风向标三维实体模型（如图2）的stp格式文件导入ABAQUS有限元分析软件中进行网格划分，获得风向标的有限元模型（如图3）。

二、材料属性和单元设置

采用C3D4四面体单元，单元尺寸为0.1mm;采用振型叠加法。分析类型选择摄动分析步（1inear perturbation），采用Lanczos求解器，并设定特征值阶数为12。

三、边界条件和网格划分

如图4所示，利用ABAQUS有限元分析软件进行网格划分，单元形状为四面体;几何阶次为线性：单元类型为C3D4：单元数量为：239418个（尾翼189386个+指向头50032个）;约束位置如图4所示，对连接面约束除了绕z轴旋转自由度以外的所有自由度。

基于ABAQUS的风向标振动模态分析仿真

根据上述方法分析计算，可得到基于ABAQUS的风向标振动模态分析的前12阶振型仿真结果（如图5），以及模态振型（如图6）。风电机组运行机舱平台的实测振动数据

用振动测试仪对现场4台风向标发生损坏风电机组（3#、102#、13#、138#）的机舱顶部平台振动做了实际测量，数据如图7-图10所示，统计结果如表2所示。

分析图表可知：

（1）机组未运行时，基本捕捉不到50Hz的振动频率。

（2）轴流风机运行过程中，3#、102#、136#、138#四台机组的振幅依次增大，四台机组的风向标损坏支数也依次增加，振动频率为50Hz。

从数量级上分析，损坏机组的振动数据是未损坏机组的5～10倍。

结语

本文采用大型有限元分析软件ABAQUS对频繁发生折断的风向标进行了振动模态仿真计算，得出如下结论：

（1）风向标的2阶和3阶固有频率与轴流风机的运行振动频率非常接近，极易引起低阶共振，且2阶和3阶振型表现为弯曲和扭转的复合模态，是導致风向标发生折断的主要原因。谐响应分析表明，风向标应力集中区域与风向标断裂位置一致。建议通过选用不同运行频率的轴流风机型号等措施调整轴流风机的运行频率，有效地避免低阶共振。

（2）现场实际测试的数据证实了轴流风机为50Hz频率的振动激励源，是直接导致风向标发生共振的根源，从而进一步验证了有限元分析模型的可靠性，为今后查找振动失效问题的原因提供了有效的分析方法和理论依据。